Tổng quan nghiên cứu

Tình trạng vi khuẩn kháng kháng sinh đang trở thành một thách thức nghiêm trọng đối với y tế toàn cầu, với dự báo đến năm 2050 có thể gây tử vong cho khoảng 10 triệu người mỗi năm. Tại Hoa Kỳ, hơn 2,8 triệu ca nhiễm trùng do vi khuẩn kháng thuốc xảy ra hàng năm, dẫn đến ít nhất 35.000 ca tử vong. Đại dịch COVID-19 càng làm nổi bật nhu cầu cấp thiết về các giải pháp phòng chống vi khuẩn và virus hiệu quả, trong đó vật liệu kháng khuẩn đóng vai trò quan trọng. Vải polyester (PE) là loại vải phổ biến trong ngành dệt may nhờ chi phí thấp và độ bền cao, nhưng đặc tính kỵ nước và khả năng hút ẩm kém làm hạn chế hiệu quả kháng khuẩn khi ứng dụng trong khẩu trang hay đồ bảo hộ y tế.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm khả năng kháng khuẩn của vải polyester được biến tính bề mặt bằng nanocellulose (NCs) và nano bạc trên cơ sở graphene oxit (Ag/GO). Mục tiêu chính là phát triển vải PE phủ lớp vật liệu nanocomposite bạc/graphene oxit có khả năng kháng khuẩn cao, bền vững và kỵ nước, phù hợp ứng dụng trong lĩnh vực y tế và bảo hộ cá nhân. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 8/2021 đến 7/2022 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Việc ứng dụng nanocellulose tổng hợp từ bã mía kết hợp với cetyltrimethylamonium bromide (CTAB) để tiền xử lý bề mặt vải PE nhằm tăng cường độ bám dính của vật liệu Ag/GO là điểm mới nổi bật. Đồng thời, biến tính bề mặt bằng vitamin C giúp tạo lớp phủ kỵ nước, nâng cao độ bền và khả năng kháng khuẩn của vải. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng vật liệu nanocomposite bạc/graphene oxit trong sản xuất vải kháng khuẩn, hỗ trợ phòng chống dịch bệnh truyền nhiễm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết vật liệu nanocomposite bạc trên cơ sở graphene oxit (Ag/GO): AgNPs có khả năng kháng khuẩn cao nhưng dễ kết tụ, trong khi GO với cấu trúc nano hai chiều giúp phân tán AgNPs đồng đều, tăng hiệu quả kháng khuẩn. Quá trình tổng hợp Ag/GO theo phương pháp in-situ gồm hấp phụ ion Ag+ lên bề mặt GO, khử ion Ag+ thành AgNPs và tạo mầm phát triển tinh thể.

  • Lý thuyết biến tính bề mặt vải polyester bằng nanocellulose cation hóa: Nanocellulose (NCs) từ bã mía có cấu trúc nano dạng sợi, nhiều nhóm chức chứa oxy giúp tăng tính ưa nước. Khi kết hợp với CTAB tạo thành NCC, lớp phủ này giúp tăng cường độ bám dính của vật liệu Ag/GO lên bề mặt vải PE vốn kỵ nước.

  • Lý thuyết cơ chế kháng khuẩn của vật liệu nanocomposite: Ion Ag+ giải phóng từ AgNPs bám lên màng tế bào vi khuẩn, gây tổn thương màng, ức chế enzyme hô hấp và phá hủy DNA vi khuẩn. GO và rGO có cạnh sắc nhọn làm tổn thương vật lý màng tế bào, đồng thời tạo ra các gốc tự do (ROS) gây chết vi khuẩn.

Các khái niệm chính bao gồm: nanocellulose, graphene oxide, nano bạc, vật liệu nanocomposite, phủ nhúng (dip-coating), biến tính bề mặt, kháng khuẩn, và góc thấm ướt.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm trọng điểm ĐHQG-HCM Công nghệ Hóa học & Dầu khí, sử dụng nguyên liệu bã mía, hóa chất AgNO3, CTAB, vitamin C, và vải polyester thương mại.

  • Phương pháp tổng hợp:

    • GO được tổng hợp bằng phương pháp Hummers cải tiến.
    • Ag/GO tổng hợp theo phương pháp in-situ sử dụng AgNO3 làm tiền chất và glucose làm chất khử.
    • Nanocellulose (NCs) được tổng hợp từ bã mía bằng thủy phân axit kết hợp sóng siêu âm.
    • NCC được tạo thành bằng cation hóa NCs với CTAB.
    • Vải PE được tiền xử lý bằng phủ nhúng với huyền phù NCC tạo thành NCC–PE.
    • Vải NCC–PE được phủ nhúng với huyền phù Ag/GO ở các nồng độ và số lần phủ khác nhau.
    • Biến tính bề mặt Ag/GO/vải NCC–PE thành Ag/rGO/vải NCC–PE bằng phương pháp khử hóa học với vitamin C, khảo sát các điều kiện nhiệt độ, tỷ lệ Ag/GO:VC và thời gian phản ứng.

  • Phương pháp phân tích đặc trưng:

    • Phổ Raman, FTIR, XRD để xác định cấu trúc và nhóm chức.
    • SEM, TEM để quan sát hình thái và kích thước hạt.
    • EDS để phân tích thành phần nguyên tố.
    • Đo góc thấm ướt để đánh giá tính kỵ nước.
    • Thử nghiệm kháng khuẩn bằng phương pháp đo đường kính vòng ức chế trên vi khuẩn E. coli và S. aureus.
    • Đánh giá độ bền nhiệt, hóa học, cơ học và độ giải phóng ion Ag+.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 8/2021 đến tháng 7/2022, gồm các giai đoạn tổng hợp vật liệu, chế tạo vải, thử nghiệm kháng khuẩn và đánh giá độ bền.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu Ag/GO và NCC:

    • Ag/GO có kích thước hạt nano bạc phân bố đồng đều từ 10–20 nm, được xác nhận qua TEM và XRD.
    • NCC có cấu trúc nano dạng sợi với đường kính 2–20 nm, chiều dài 100–500 nm, chỉ số kết tinh cao, được xác định qua XRD và FTIR.

  2. Ảnh hưởng của điều kiện phủ nhúng Ag/GO lên vải NCC–PE:

    • Số lần phủ nhúng từ 1 đến 10 và nồng độ Ag/GO từ 720 đến 1000 mg/L ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng kháng khuẩn.
    • Vải Ag/GO/vải NCC–PE với 5 lần phủ nhúng và nồng độ 880 mg/L đạt đường kính vòng kháng khuẩn lớn nhất, khoảng 15 mm với E. coli và 18 mm với S. aureus.
    • So với vải PE chưa xử lý, khả năng kháng khuẩn tăng hơn 70%.

  3. Biến tính bề mặt bằng vitamin C tạo Ag/rGO/vải NCC–PE:

    • Điều kiện biến tính tối ưu là nhiệt độ 140 °C, tỷ lệ Ag/GO:VC = 1:3, thời gian 120 phút.
    • Vải Ag/rGO/vải NCC–PE có góc thấm ướt tăng từ 65° (Ag/GO/vải NCC–PE) lên 110°, thể hiện tính kỵ nước rõ rệt.
    • Khả năng kháng khuẩn duy trì ổn định với đường kính vòng ức chế trên 14 mm đối với E. coli.

  4. Độ bền và khả năng kháng khuẩn sau thử nghiệm:

    • Sau 20 lần giặt ở 40 °C, vải Ag/rGO/vải NCC–PE giữ lại hơn 80% khả năng kháng khuẩn ban đầu.
    • Độ bền nhiệt và hóa học của vải được cải thiện, với nhiệt độ phân hủy tăng 15% so với vải chưa xử lý.
    • Ion Ag+ giải phóng ổn định trong khoảng 0,5–1,0 mg/L, đảm bảo hiệu quả kháng khuẩn lâu dài.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc tiền xử lý vải PE bằng nanocellulose cation hóa (NCC) giúp tăng cường độ bám dính của vật liệu Ag/GO lên bề mặt vải, từ đó nâng cao hiệu quả kháng khuẩn. Số lần phủ nhúng và nồng độ Ag/GO là các yếu tố quyết định đến độ dày lớp phủ và khả năng giải phóng ion Ag+, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả diệt khuẩn.

Biến tính bề mặt bằng vitamin C tạo ra lớp phủ Ag/rGO có tính kỵ nước cao, giúp hạn chế sự bám dính của vi khuẩn và tăng độ bền của lớp phủ. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vai trò của rGO trong việc cải thiện tính kỵ nước và độ bền cơ học của vật liệu phủ.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, vật liệu Ag/rGO/vải NCC–PE thể hiện khả năng kháng khuẩn vượt trội, đồng thời duy trì hiệu quả sau nhiều lần giặt và trong môi trường mồ hôi axit, kiềm. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường kính vòng kháng khuẩn theo số lần phủ nhúng và nồng độ Ag/GO, cũng như bảng so sánh độ bền và khả năng kháng khuẩn trước và sau thử nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi vải Ag/rGO/vải NCC–PE trong sản xuất khẩu trang và đồ bảo hộ y tế: Đẩy mạnh sản xuất thử nghiệm quy mô công nghiệp trong vòng 12 tháng tới nhằm đáp ứng nhu cầu phòng chống dịch bệnh.

  2. Nâng cao quy trình phủ nhúng và biến tính bề mặt: Tối ưu hóa các thông số phủ nhúng (nồng độ, số lần) và điều kiện biến tính (nhiệt độ, thời gian) để cân bằng hiệu quả kháng khuẩn và chi phí sản xuất, thực hiện trong 6 tháng.

  3. Phát triển các sản phẩm vải kháng khuẩn đa chức năng: Kết hợp thêm các tính năng như chống tia UV, chống thấm nước và kháng mùi, hướng đến thị trường thời trang thể thao và y tế trong 18 tháng.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho các doanh nghiệp dệt may và phòng thí nghiệm trong nước để phổ biến công nghệ phủ nhúng và biến tính vải kháng khuẩn, thực hiện trong 1 năm.

  5. Nghiên cứu mở rộng về tính an toàn và tác động môi trường: Đánh giá độc tính lâu dài của vật liệu nanocomposite bạc/graphene oxit trên người và môi trường, đề xuất các biện pháp xử lý chất thải phù hợp, tiến hành song song với các đề xuất trên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Vật liệu: Nghiên cứu sâu về tổng hợp vật liệu nanocomposite bạc/graphene oxit và ứng dụng trong vật liệu kháng khuẩn.

  2. Doanh nghiệp sản xuất dệt may và vật liệu y tế: Áp dụng công nghệ phủ nhúng và biến tính bề mặt vải polyester để phát triển sản phẩm khẩu trang, đồ bảo hộ có khả năng kháng khuẩn cao.

  3. Cơ quan quản lý và tổ chức y tế: Tham khảo giải pháp vật liệu kháng khuẩn mới nhằm hỗ trợ phòng chống dịch bệnh truyền nhiễm, đặc biệt trong bối cảnh đại dịch COVID-19.

  4. Các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu công nghệ nano: Phát triển thêm các vật liệu nanocomposite đa chức năng, mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh và công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu nanocomposite Ag/GO có ưu điểm gì so với nano bạc đơn thuần?
    Ag/GO kết hợp ưu điểm của nano bạc và graphene oxide, giúp phân tán AgNPs đồng đều, giảm kết tụ, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và hiệu quả kháng khuẩn lâu dài hơn.

  2. Tại sao cần tiền xử lý vải polyester bằng nanocellulose cation hóa?
    Vải PE có tính kỵ nước và bề mặt trơn làm giảm độ bám dính của vật liệu kháng khuẩn. Tiền xử lý bằng NCC tạo lớp phủ ưa nước, tăng cường liên kết vật liệu Ag/GO lên bề mặt vải, nâng cao hiệu quả kháng khuẩn.

  3. Phương pháp biến tính bề mặt bằng vitamin C có tác dụng gì?
    Vitamin C khử hóa học Ag/GO thành Ag/rGO, tạo lớp phủ kỵ nước, giúp hạn chế vi khuẩn bám dính, tăng độ bền cơ học và khả năng kháng khuẩn của vải sau nhiều lần giặt.

  4. Khả năng kháng khuẩn của vải sau nhiều lần giặt như thế nào?
    Vải Ag/rGO/vải NCC–PE giữ lại hơn 80% hiệu quả kháng khuẩn sau 20 lần giặt ở 40 °C, cho thấy độ bền và tính ổn định cao của lớp phủ nanocomposite.

  5. Vải kháng khuẩn này có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    Phù hợp cho sản xuất khẩu trang y tế, đồ bảo hộ cá nhân, quần áo thể thao, và các sản phẩm dệt may cần tính năng kháng khuẩn, chống thấm nước và bền bỉ trong môi trường sử dụng thực tế.

Kết luận

  • Thành công tổng hợp vật liệu nanocomposite bạc trên cơ sở graphene oxit (Ag/GO) và nanocellulose cation hóa (NCC) từ bã mía, ứng dụng phủ nhúng lên vải polyester.
  • Xác định điều kiện phủ nhúng và biến tính bề mặt tối ưu để tạo vải Ag/rGO/vải NCC–PE có khả năng kháng khuẩn cao, tính kỵ nước và độ bền cơ học tốt.
  • Vải kháng khuẩn duy trì hiệu quả sau nhiều lần giặt và trong môi trường mồ hôi axit, kiềm, phù hợp ứng dụng y tế và bảo hộ cá nhân.
  • Nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu kháng khuẩn thân thiện môi trường, thay thế kháng sinh trong phòng chống bệnh truyền nhiễm.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng và chuyển giao công nghệ trong ngành dệt may và y tế, hướng tới sản xuất quy mô công nghiệp trong 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai thử nghiệm sản xuất quy mô lớn, đồng thời tiếp tục nghiên cứu nâng cao tính năng đa chức năng của vật liệu nanocomposite bạc/graphene oxit trên nền vải polyester.